Fluxroadd
Ld = dynamische spoel, ofwel de spoel op het voertuig
Ls = statische spoel, ofwel de spoel onder de weg
Improving the magnetic design
Op welke manier zorg je ervoor dat het vermogensrendement tussen de statische en dynamische schakeling het grootst is en dus met zo min mogelijk energie de accu zo veel mogelijk opgeladen kan worden?
Stroomsterkte in de statische spoelen
De invloed van de stroomsterkte van de statische spoelen volgt uit het gegeven dat de inductiespannning gunstig wordt beïnvloed door een grote magnetische flux.
Volgens:
is de magnetische flux afhankelijk van de magnetische inductie en de oppervlakte. Om een hoge magnetische flux te bereiken is het dus van belang om een hoge magnetische inductie verspreid over een grote oppervlakte te hebben.
Volgens:
wordt de magnetische inductie gunstig beïnvloedt door de stroomsterkte in de statische spoel en het aantal windingen.
De lengte van de spoel heeft echter een negatieve invloed op de magnetische inductie. Om een zo hoog mogelijke inductiespanning in de dynamische spoel te bereiken is het dus van belang dat de statische spoel zo veel mogelijk windingen bevat en over weinig lengte beschikt. Daarnaast moet er door de statische spoel een zo hoog mogelijke stroomsterkte lopen. Het verhogen van het aantal windingen heeft tot gevolg dat de stroomdraad van de spoel ook langer wordt. Bij elke winding extra zal de lengte toenemen met
Om de stijging van de lengte tegen te gaan moet de straal van de spoel dus kleiner worden. Dit heeft echter tot gevolg dat de oppervlakte van de spoel kleiner wordt volgens: . Daarom concluderen dat het verhogen van het aantal windingen geen invloed heeft op de inductiespanning.
Ook het vergroten van de oppervlakte van de statische spoel zorgt voor een hogere magnetische flux, maar omdat dit tegelijkertijd zorgt voor een langere spoel en daardoor een kleinere magnetische inductie zal dit de inductiespanning niet verhogen.
Al met al is de inductiespanning alleen afhankelijk van de stroomsterkte in de statische spoel.
Invloed van variabelen
Om de accu van een elektrische auto zo snel mogelijk op te laden, moet het vermogen zo hoog mogelijk zijn. Het vermogen is de som van de inductiespanning en -stroom: . Om een zo hoog mogelijk vermogen te bereiken is het dus van belang om een zo hoog mogelijke inductiespanning en -stroom te hebben. Volgens: is de inductiespanning afhankelijk van de veranderende magnetische flux en de tijd waarin deze verandering plaatsvindt. Omdat geldt: (waarbij Rd=weerstand van de dynamische spoel) is ook de inductiestroom afhankelijk van de veranderende magnetische flux en de tijd waarin deze verandering plaatsvindt. Omdat de inductiestroom rechtsstreeks afhankelijk is van de inductiespanning gaan we verder met de inductiespanning. Om een zo hoog mogelijke inductiespanning te bereiken zijn twee variabelen van groot belang. Dat zijn de frequentie en de stroomsterkte in de statische spoel.
Frequentie
Het belang van de frequentie volgt uit het gegeven dat de inductiespanning afhankelijk is van een veranderende magnetische flux in zo weinig mogelijk tijd. De veranderende magnetische flux wordt in de Fluxroadd veroorzaakt door een wisselspanning op de statische spoelen te zetten. De wisselspanning veroorzaakt namelijk een veranderend magnetisch veld. De afbeelding hieronder geeft een wisselspanning weer. Je moet je voorstellen dat bij elke top een verandering van het magnetische veld plaatsvindt.
Hoe snel het magnetische veld verandert is dus afhankelijk van de trillingstijd van de wisselspanning. Op het tijdstip waarbij de wisselspanning een top bereikt zal ook de magnetische inductie maximaal zijn. Dat betekent dat het magnetische veld twee keer verandert per trillingstijd. Hieruit volgt dat hoe kleiner de trillingstijd is, hoe sneller het magnetische veld verandert. Er geldt een omgekeerd evenredig verband tussen de frequentie en de trillingstijd. Dus geldt: hoe groter de frequentie van de wisselspanning, hoe sneller het magnetische veld verandert. Omdat een snelle verandering van het magnetische veld een hogere inductiespanning tot gevolg heeft, geldt dat een hoge frequentie van de wisselspanning een gunstige invloed heeft op de inductiespanning.
Invloed van indeling statische spoelen
Naast de invloed van variabelen kunnen we het vermogensrendement ook optimaliseren door gebruik te maken van een andere indeling of soort spoelen. We gaan hierbij uit van de vergelijking tussen de traditionele enkele cirkelvormige spoel en de zogenaamde "DDpad". Een DDpad bestaat uit twee verschillende spoelen met een zeer kleine tussenruimte. Dat betekent dat de koperdraden elkaar niet raken of snijden.
DDpad
De spoelen zijn tegengesteld gewonden, dat betekent dat de stroom ook tegengesteld loopt.
Daardoor bevindt de noordpool van de ene spoel zich aan de bovenkant en van de andere spoel aan de onderkant .
Daardoor lopen de veldlijnen van de ene in de andere spoel. Op deze manier versterken de twee spoelen elkaar.
Hierdoor komen de veldlijnen van een DDpad twee keer zo hoog als de veldlijnen van een enkele cirkelvormige spoel.
Uit ons onderzoek naar de "Air gap" blijkt dat een grote afstand tussen de statische en dynamische spoel een enorme negatieve invloed heeft op het inductievermogen. Als echter een DDpad gebruikt wordt in plaats van een enkele cirkelvormige spoel. Worden de magnetische veldlijnen 2x zo hoog. Dat betekent dat dezelfde magnetische inductie wordt bereikt op een afstand die 2x zo groot is. Hierdoor zal een "Air gap" 2x minder invloed hebben op het inductievermogen. Er bestaat namelijk een rechtsstreeks verband tussen de magnetische inductie en het inductie vermogen
(zie ook "Air gap").
Oppervlakte
Een ander voordeel van de DDpad is dat het magnetische veld een groter oppervlakte bestrijkt. Volgens: leidt dit tot een grotere magnetische flux en dus een hogere inductiespanning. Een ander voordeel van de grotere oppervlakte is dat de dynamische spoel langer een magnetische flux ondervindt en daardoor langer een inductiespanning krijgt.
Onderzoek
Dit heeft als voordeel dat
Er is onderzoek gedaan naar de voor- en nadelen van het gebruiken van een DDpad. Dit onderzoek is gedaan door een onderzoeksteam onder leiding van Grant Covic van de universiteit van Auckland. De twee grafieken hiernaast zijn afkomstig uit dit onderzoek. De grafieken laten heel mooi het verschil zien tussen de enkele cirkelvormige spoel en de DDpad. Boven is de grafiek van de cirkelvormige spoel te zien. De grafiek laat zien wat het vermogen is van de dynamische spoel bij een bepaalde afstand. (Psu=Power of the secundary unit). Je ziet duidelijk dat een veel hoger vermogen wordt bereikt door de DDpad bij een gelijke afstand. Ook heeft de afstand in y-richting minder invloed op het vermogen van de DDpad dan op de enkele cirkelvormige spoel. Dit is een gevolg van de grotere oppervlakte die de DDpad bestrijkt.
Ook aan deze extra oppervlakte is aandacht besteed door het
onderzoeksteam. In de afbeelding hiernaast wordt een cirkelvormige
spoel vergeleken met een DDpad. In de grafiek is de 7kW zone
weergegeven. Deze zone geeft aan op welke plaatsen het vermogen in
de dynamischespoel hoger is dan 7kW. Je ziet dat deze oppervlakte
bij de DDpad een stuk groter is, met name in y-richting. Doordat het
vermogen bij de DDpad langer hoog blijft, zal er langer een hoge
inductiespanning aanwezig zijn in de dynamische spoel. Zo wordt de
accu van de elektrische auto dus sneller opgeladen.
Al met al heeft de DDpad vele voordelen ten opzicht van een traditionele spoel. Bijvoorbeeld dat de hoogte van de magnetische veldlijnen verdubbeld worden en het magnetische veld een groter oppervlakte bestrijkt. Bij het ontwerp van de Fluxroadd zullen als statische spoelen dus zeker DDpads gebruikt worden.
Invloed van indeling dynamische spoel
Ook een andere indeling van de dynamische spoel kan leiden tot een hoger vermogensrendement. We gaan hierbij uit van de vergelijking tussen een traditionele cirkelvormige enkele spoel en de Q-spoel (de Q staat voor quadrature). Een Q-spoel is een enkele spoel, die een rechthoekige vorm heeft. In onderstaande afbeelding zijn de Q-spoel en de DDpad weergegeven.
De Q-spoel bevindt zich in deze afbeelding boven de DDpad, net als bij de echte Fluxroadd het geval zal zijn. De Q-spoel doet dienst als dynamische spoel. De Q-spoel heeft een rechthoekige vorm, in tegenstelling tot een traditionele spoel. Deze vorm is heel geschikt om dienst te doen als dynamische spoel. Dat komt doordat deze vorm optimaal gebruik kan maken van de vorm van het magnetische veld. Het magnetische veld dat gecreëerd wordt door de DDpad zal ongeveer de vorm van een rechthoek hebben. Onderstaande afbeeldingen beschrijven de beweging van de dynamische spoel over het magnetische veld. Hierbij vergelijken we de Q-spoel met een cirkelvormige spoel.
1. 2. 3.
Een traditionele cirkelvormige spoel
Het magnetische veld dat wordt gecreërd door de DDpad, deze zal ongeveer een rechthoekige vorm hebben.
1. 2. 3.
Een Q-spoel
Deze afbeeldingen verduidelijken waarom de Q-spoel geschikter is om als dynamische spoel dienst te doen. Het is voor de dynamische spoel van belang om zoveel mogelijk oppervlakte van het magnetische veld te 'bedekken'. De overbrenging zal optimaal zijn als de dynamische spoel en het magnetische veld precies uitgelijnd zijn. Om dit te bereiken is het het beste als de dynamische spoel dezelfde vorm heeft als het magnetische veld. Een Q-spoel zal dus een hoger vermogensrendement bereiken dan een cirkelvormige spoel. Om deze reden zal bij het ontwerp van de Fluxroadd dus zeker een Q-spoel worden gebruikt als dynamische spoel.
Serie of parallel?
De keuze tussen serie of parallel is een belangrijke keuze als het gaat om het magnetische design. Hiermee bedoelen we de manier waarop de statische spoelen zijn geschakeld aan de spanningsbron. Zoals uit "invloed van variabelen" blijkt, is de inductiespanning in de dynamische spoel afhankelijk van de stroomsterkte in de statische spoel. Bij de keuze tussen serie of parallel nemen we dit dus als uitgangspunt. Om in elke spoel een zo hoog mogelijke stroomsterkte te laten lopen, kun je de spoelen het beste parallel schakelen. Op deze manier zal de weerstand veel lager zijn. Omdat geldt: . Bij een serieschakeling geldt: en zal de weerstand dus veel hoger zijn. Hieronder zie je de vergelijking tussen twee serie geschakelde en twee parallel geschakelde spoelen. Hierbij zijn we uitgegaan van een spanning van 10 volt en een weerstand van de spoel van 10 ohm.
Hieruit blijkt dat de stroomsterkte bij een parallelle schakeling 4 keer zo hoog is. Bij het ontwerp van de Fluxroadd zullen de statische spoelen dus zeker parallel geschakeld worden.
Smart Grids
Het toepassen van een smart grid is het efficiënt omgaan met energiestromen. Indien er een hoge vraag is, bijvoorbeeld tijdens de avonduren, als iedereen voetbal zit te kijken, dan wordt het aanbod hierop afgestemd door extra energie te winnen. Het slim omgaan met energie is belangrijk, zodat niets verloren hoeft te gaan.
De fluxroadd is een manier om het rijcomfort te vergroten, door een grotere actieradius van de auto te creëren. Hiervoor is energie nodig, maar waar halen wij deze vandaan? In onze proefopstelling gebruiken we een simpele spanningsbron die zijn energie uit het stopcontact haalt, wat meestal van een vervuilende elektriciteitscentrale afkomstig is. In zo’n centrale is over het algemeen het rendement erg laag, kortom niet duurzaam. Wij willen dus onze energie ergens anders vandaan halen, iets wat wel duurzaam is. We zullen u kort uitleggen om welke energiebronnen het bijvoorbeeld kan gaan.
Windenergie
Erg bekend in Nederland is de windmolen, in de Flevopolder hebben we
honderden windmolens staan, die duurzaam zijn. We gebruiken
de krachten van de natuur om deze om te zetten in energie. Deze energie kunnen
we dan gebruiken voor onze auto’s die over de fluxroadd rijden.
Getijdenenergie
Nederland ligt aan de kust, we hebben dus te maken met eb en vloed. Een
alternatieve vorm van energie is dan ook getijdenenergie. Hier maak je gebruik
van het verschil in waterhoogte tussen eb en vloed. Als je het hoge water (vloed)
vasthoudt met een dam en via een turbine laat teruglopen, kan je daar energie
uit halen. Dan zet je met eb de dam weer open en wacht je weer tot het vloed is.
Golfslagenergie
Een methode wat nog in ontwikkeling is, is golfslagenergie. De grote golven op zee bevatten heel
veel energie, theoretisch gezien kan dit worden omgezet in energie voor o.a. de fluxroadd, alleen
het blijkt erg lastig te zijn om dit uit te voeren.
Waterkrachtenergie
Iets wat niet echt in Nederland voorkomt, maar wel in andere landen is een
waterkrachtcentrale. De waterkrachtcentrale maakt gebruik van de natuurlijke
valhoogte van water. Er geldt dat als een voorwerp valt, deze energie bevat. Dit
geldt ook bij water, dus het water dat valt drijft een dynamo aan die op zijn beurt
de kinetische energie van het water omzet in energie voor onze fluxroadd.
Aardwarmte
Vulkanische activiteit kan je soms makkelijk waarnemen, je ziet allemaal stoom vrijkomen uit de aarde. Deze geothermische warmte (aardwarmte) kan je omzetten in elektriciteit met behulp van een turbine.
Zonne-energie
Onze bron van het leven kan ons ook nuttige energie leveren, met de zonnepanelen zijn we in staat om de energie die de zon afgeeft aan de aarde op te slaan en te gebruiken.
Fusiereactor
De zon geeft ons al jaren energie, deze moet de zon ook ergens vandaan halen. De zon fuseert twee lichte atoomkernen tot één zware atoomkern, hierbij komt energie vrij. Wetenschappers zijn momenteel bezig om dit na maken met behulp van een fusiereactor. Er worden waterstofkernen gefuseerd in de reactor onder een zeer hoge temperatuur (108 K), hierbij komt een grote hoeveelheid energie vrij, die weer omgezet kan worden in energie die voor ons bruikbaar is. Het is in ontwikkeling, maar als het werkt, kan men de aarde voor duizenden jaren van schone energie voorzien.
Energie terugwinnen
Bij dagelijkse activiteiten gaat natuurlijk veel energie verloren, denk bijvoorbeeld aan het remmen van een auto. De energie die hierbij verloren gaat, kan je (deels) terugwinnen met een vliegwiel. Een ander voorbeeld om energie terug te winnen zijn kleine windmolentjes langs de weg, deze windmolens zetten de wind die jouw auto veroorzaakt om in energie die weer gebruikt kan worden voor de fluxroadd. Als laatste kun je natuurlijk ook gewoon werken met detectie, door middel van sensoren. De fluxroadd hoeft niet continu aan te staan, alleen als er een auto overheen rijdt. Uit is het goedkoopst: dus zullen we de statische spoelen alleen activeren wanneer er een auto overheen rijdt. De statische spoelen schakelen weer uit wanneer de auto eroverheen is gereden.
Er zijn dus verschillende vormen van duurzame energie en verschillende manieren om energie terug te winnen. Ook is het slim schakelen van processen een vorm van energiebesparing.
De fluxroadd moet duurzaam zijn,
want zonder duurzaamheid komen we niet ver!